Non-Isolated On-Board Charger for E-Mobility Vehicles with Minimal Common-Mode Current

To combat climage change and reduce emissions caused by the transportation sector, electric vehicles have emerged as a cleaner and more efficient alternative to the internal combustion engine. On-board chargers take the supplied AC, coming from the power grid, and converting it to DC which then is used to charge the traction battery of the vehicle. In order to widen the acceptance of electric vehicles, lower charging times and therefore higher power transfers are necessary. As space is limited in electric vehicles, an increase in power density for on-board chargers is crucial to achieve this goal. Most state-of-the-art on-board chargers employ a two-stage, isolated design. A non-isolated designs promise a higher power density by omitting bulky inductive elements such as the high-frequency transformer. This work presents a single-stage, non-isolated design, which can be operated in three-, two- or single-phase mode. A non-isolated design poses challenges in regard to common-mode issues, which may trip the residual current device in the wall box, as well as the absence of a transformer limiting the lower-end traction battery voltage, making this design only feasible for 800 V systems. All aspects of the charger, starting from the modulation schemes, DC-link and filter dimensioning, operation with less than three phases, or control implementation are thoroughly investigated. A two- or single-phase mode is proposed and investigated to solve the lower-end battery voltage issue. Common-mode generation mechanisms are identified, a theoretical model is designed and simulated. A hardware prototype is designed and presented, and used to verify the theoretical model and simulations with real-world measurements. Efficiency measurements show the benefit of a solely single-stage design, but current constraints given by the electric vehicle manufacturers, mainly common-mode capacitance as well as battery voltage range, make a purely single-stage solution not feasible. Common-mode capacitance measurements on electric vehicles show a wide range of values, making the design of single-stage topologies difficult. The conclusion shows an alternative two-stage non-isolated topology, which might be able to solve any common-mode issues left.

Um den Klimawandel zu bekämpfen und die durch den Verkehrssektor verursachten Emissionen zu verringern, haben sich Elektrofahrzeuge als sauberere und effizientere Alternative zum Verbrennungsmotor durchgesetzt. On-Board-Ladegeräte wandeln den aus dem Stromnetz stammenden Wechselstrom in Gleichstrom um, welcher zum Laden der Traktionsbatterie des Fahrzeugs verwendet wird. Um die Akzeptanz von Elektrofahrzeugen zu erhöhen, sind kürzere Ladezeiten und damit eine höhere Leistungsübertragung erforderlich. Da der Platz in Elektrofahrzeugen begrenzt ist, ist eine Erhöhung der Leistungsdichte von Ladegeräten im Fahrzeug von entscheidender Bedeutung, um dieses Ziel zu erreichen. Die meisten modernen On-Board-Ladegeräte verwenden ein zweistufiges, isoliertes Design. Ein nicht-isoliertes Design verspricht eine höhere Leistungsdichte durch den Verzicht auf voluminöse induktive Elemente wie den Hochfrequenztransformator. In dieser Arbeit wird ein einstufiges, nicht isoliertes Design vorgestellt, das im Drei-, Zwei- oder Einphasenmodus betrieben werden kann. Ein nicht isoliertes Design stellt Herausforderungen in Bezug auf Gleichtaktprobleme dar, die den Fehlerstromschutzschalter in der Wallbox auslösen können. Durch den Mangel eines Transformators und somit direkte Relation zwischen Netz- und Batteriespannung wird die Minimalspannung der Traktionsbatterie begrenzt, wodurch dieses Design nur für 800 V-Systeme realisierbar ist. Alle Aspekte des Ladegeräts, angefangen bei der Modulation, der Dimensionierung des Zwischenkreises und des Filters, dem Betrieb mit weniger als drei Phasen oder der Implementierung der Regelung werden gründlich untersucht. Es wird ein zwei- oder einphasiger Betrieb vorgeschlagen und untersucht, um das Problem der Minimalbatteriespannung zu lösen. Die Mechanismen der Gleichtaktspannungserzeugung werden identifiziert, sowie ein theoretisches Modell wird entworfen und simuliert. Es wird ein Hardware-Prototyp entwickelt und vorgestellt, der zur Überprüfung des theoretischen Modells und der Simulationen verwendet wird. Effizienzmessungen zeigen den Vorteil eines ausschließlich einstufigen Designs, aber die von den Elektrofahrzeugherstellern vorgegebenen Beschränkungen, vor allem die Gleichtaktkapazität des Fahrzeugs und der Batteriespannungsbereich, machen eine rein einstufige Lösung nicht sinnvoll realisierbar. Gleichtaktkapazitätsmessungen an Elektrofahrzeugen variieren stark zwischen Automobilherstellern, was die Entwicklung einstufiger Topologien erschwert. In der Schlussfolgerung wird eine zweistufige, nicht isolierte Topologie vorgestellt, die in der Lage sein könnte, alle verbleibenden Gleichtaktprobleme zu lösen.